刘秦见，王军，高原，熊峰
（四川大学建筑与环境学院，成都610065）
[摘要]被动式超低能耗建筑具有健康舒适、节能环保等特点，在我国城镇化推进中扮演重要角色，是建筑产业发展的必然选择。本文对发展超低能耗建筑的必要性、能耗特点以及发展状况进行了阐述，同时对可再生能源应用于超低能耗建筑的典型案例进行了介绍，然后对被动式超低能耗建筑结合可再生能源系统的技术经济特点进行了分析，最后给出了如何让可再生能源系统与超低能耗建筑有效结合的建议。
[关键词]超低能耗建筑；被动式；可再生能源；应用；经济性
0引言
随着全球经济快速发展，能源需求量与日俱增，环境污染日益加剧。据国际能源署( IEA)统计表明，全球范围内建筑分摊了全世界大约20~ 40%的一次能源消耗，30%的温室气体排放以及25~40%的固体废物。随着我国城镇化的推进，从1978~ 2013年，城镇常住人口从1.7亿增加到7.3亿，城镇化率从17. 9%提升到53.7%。2010年全国建筑总面积为453亿m2，单位面积的建筑能耗（标准煤）为14.5 kg/m2[6]，建筑面积和建筑总能耗仍将持续增长。面对能源短缺、资源匮乏、环境污染等现状，建筑节能工作的重要性更加凸显。自20世纪80年代以来我国就开始开展建筑节能工作，但据调查发现，我国现阶段执行的65%的节能标准，仍远高于欧洲各国都在建造低能耗建筑或零能耗建筑的设计标准。表1是芬兰建筑节能设计标准中围护结构各部位的设计传热系数与公共建筑设计节能标准中严寒地区的相应数值的对比。由此可见，研究和发展舒适度高，绿色健康，化石能源依赖度小的超低能耗建筑是实现社会可持续发展的必然趋势。
1 国内外超低能耗建筑发展现状
1988年被动房概念首次在德国被提出，经历了20多年的发展，被动房已经成为具有完备技术体系的自愿性超低能耗建筑标准。目前，已经有60 000多栋的房屋按照被动房标准建造，其中有约30 000栋建筑获得了被动房的认证，主要以住宅建筑为主，也有办公、学校、酒店等类型的建筑。其节能型比既有建筑节能90%以上，比新建建筑节能75%以上。在德国被动房的认证工作也有完善的指标：1）供暖能耗：供暖能耗≤15 kW-h/(m2．a)或热负荷≤10 W／fl12；当采用空调时，对供冷能耗的要求与供暖能耗一致；2）建筑一次能源用量≤120 kW·h/( m2.a)；3)气密性必须满足n，。≤0.6;4）超温频率≤10%。1990年代，丹麦政府提出“到2050年丹麦将成为化石能源零依赖的国家”。丹麦建筑能耗约占社会总能耗的40%，自1980年以来，丹麦经济增长了80%，但能源消耗总量基本维持不变。2006年丹麦为推动盟能效指令，分别将建筑能耗降低到2006年水平的25%、50%、75%，见表2。2013年3月，丹麦议会批准通过了《2012 - 2020年能源执政协议》。其中2020年的主要预期目标为：1）与1990年相比，温室气体排放减少34%；2)可再生能源占终端能源消费总量的比重超过35%；3)2020年前，新建建筑成为近零能耗建筑，主要依靠可再生能源；4）从2013年起，新建建筑禁止使用石油和天然气供暖，区域供热区内的现有建筑自2016年起不得安装新的燃油锅炉。进一步推广热泵、太阳能和生物质的热利用。
自20世纪90年代起，我国建筑节能已经在“三步”节能的路线下走过了三十余年，但是，在2004年之前的十余年间发展比较缓慢，全国大部分城市80%左右的新建建筑都达不到节能标准。同时，被动房超低能耗建筑节能技术在我国起步也相对较晚。2005年我国首座超低能耗节能示范建筑才在清华大学落成。2012年建筑能源技术保障住宅“零耗能”的“中意绿色能源楼”正式落成启用。中德两国开展的“被动房式超低能耗建筑”合作项目也在2006年起在建筑节能领域持续不断合作。到2011年2月中德双方已初步确定2个居住建筑的示范项目，截止2014年9月在全国范围内已经有23座高效节能超低能耗建筑示范项目。而我国面临建筑气候分区特点差异大，建筑形式的多样性，生活习惯因地而异的局面。由此可以看我国超低能耗建筑的发展艰难性，同时还有很长的路要走。
2 超低能耗建筑的能耗特点
目前，超低能耗建筑表现出以下特点：1）超低能耗建筑通过最大限度的围护结构保温和气密性性能，充分利用自然通风，自然采光和室内热源得热的技术手段，将室内供暖负荷与空调负荷降到最低。2)具有严格的性能指标（见表3），被动式超低能耗建筑同执行国家现行建筑节能标准的新建建筑相比，在严寒地区供热需求量降低75%以上并大幅减少空调使用的时间；在夏热冬冷和夏热冬暖地区，在降低冬季供暖能耗的前提下，冬季室内温度在18℃以上，夏季空调能耗降低50%以上；而在温和地区，不使用主动供暖空调技术的前提下，改善冬夏室内环境，提高建筑舒适度。3）丰富的能源结构，提高可再生能源的贡献率，加大开发和利用太阳能利用技术、风发电技术，由超低能耗建筑向零能耗建筑、产能建筑发展。
3 应用可再生能源系统的典型案例
零能耗建筑是建筑物本身对于不可再生能源的消耗为零，并非建筑不耗能，而是最大可能的利用可再生能源。从这一定义可以看出零能耗建筑耗能包括两方面的内容，即“节流”与“开源”，而其中的“开源”则是指利用可再生能源替代常规能源，实现对太阳能、风能、地热能、生物质能等的高效利用。达模斯特达一克然尼思坦居住建筑实验区是德国的第一个“近零能耗建筑”，于1991年底完成。超级保温、组织通风及热回收系统有效降低了供暖能耗，达到单元居住面积供暖耗能量低于15 kW - Ii／( m2．a)，然而，近零能耗建筑设计目标是降低建筑使用的总能耗，因此在建筑中也安装了太阳能热水和地温利用的设备（见图1）。
室外新鲜空气都经过地下管道进入空气热回收器，然后输送到各个房间。每一户都有3根长15m，直径100 mm的管道，埋在比地下室还低1 m深的地层中。当室外气温在零下5~10℃时，这个深度的温度仍然能保持在10℃左右。空气经过地下预热或者是预冷的意义都非常明显。在夏天，家用热水由高效的真空管太阳能热水器提供。在冬季由太阳能热水器和燃气中心锅炉同时提供热水。
德国萨克森州，度纳幼儿园设计供暖能耗仅为10 W/m2．一方面得益于合理的结构设计、良好热工性能的围护结构；另一方面也得益于对地源热和太能的利用。通过2个深度为100 m左右的钻井获得地源热，利用热泵向室内提供40℃热水作为供暖热源，同时提供55℃生活热水。在建筑南立面墙上安装75 m2的太阳能集热器作为另一个热源(见图2)，并将太阳能和地源热泵产生的热水存储在两个1500 L的缓冲热水储存器中。幼儿园的总使用面积800m2，通过传导、空气渗透造成的总热损失为44 MW-h，太阳能直接的热21 MW-h，室内得热为11 MW-h。因此还需要12 MW-h的能量作为供暖的能源补充。热水供应需要42 MW -h的能源供应。太阳能集热器可以提供20 MW-h，热泵可以提供24MW-h。因此这栋建筑每年的总能耗需求为10 MW．h，合单位使用面积耗能量12.5 kW．h/( m2．a)。
清华大学超低能耗示范楼充分展示了低能耗、生态化、人性化等建筑形式的特色，集成了建筑材料、建筑构造，建筑智能系统，建筑环境控制等多种建筑技术，开创了中国超低能耗建筑的先河。在示范楼的能源系统中同样重视对可再生能源的开发和利用，减少对化石能源的依赖。夏季，系统通过土壤埋管方式，利用地下存储的冷量获取16~18℃的冷水来制冷。项目在建筑物南立面装有30 m2单晶硅玻璃，在不影响采光的同时把光能转化为电能为建筑供能。示范楼利用260 m2的联集管式太阳能空气集热器，当日集热效率在50%时，峰值热产量为140 kW。利用太阳能跟踪、阳光采集、光线传导和专用灯具组成的照明系统，可在200 m范围内实现最大程度的利用自然光。
4被动房结合可再生能源系统的技术经济性
为了对被动房结合可再生能源系统的技术经济性进行分析，选择建筑物A为分析对象。建筑物A（见图3）位于日本东京郊区，建筑面积76 m2，结构为传统木质结构。建筑的能源供应主要是市政电为主，燃气辅助。
为将房屋改造成即节能又舒适的被动式超低能耗房，对建筑物围护结构的绝热性进行了提升（见表4），同时对建筑的能源系统进行了改造。围护结构的改造前后变化见表。在改造后，主要由市政电并结合太阳能和空气能2种可再生能源为建筑物供能（见图4）。
由图4可知，太阳能空气集热器通过加热空气来为室内供暖，并通过气一水热交换器来为室内提供热水。太阳能空气集热器系统是由3种类型的空气集热器组成的全空气加热系统。第一阶段是无玻璃的空气预热段，第二阶段是建筑一体化型光伏系统热收集器，第三阶段是真空太阳能空气集热段。
为提高热空气供暖的热容量，在地板下均匀的布置了一定数量的盛满水的容器。同时，空气源热泵在夏季用来制冷，在冬季用来辅助供暖和提供热水。改造前后建筑的能源年绩效对比见表5。
由表中的数据可以看出，改造后建筑的能源消耗量仅为4.8 MW．h/a，改造前能源消耗的36%。而太阳能光伏电池板每年发电19.8 GJ/a(5.5 MW．h/a)，完全能够满足建筑物的能耗需求，实现了净零能耗与建筑产能。
5建议
被动式超低能耗建筑具有健康舒适、节能环保等特点，在我国城镇化推进中扮演重要角色，必是建筑业发展的一个重要方向。多能互补可再生能源系统应与超低能耗建筑相结合的研究和应用还相对较少，而面对起步发展的困难局面，应该结合发达国家的发展经验，逐步改善发展环境和条件，最终达到通过技术措施将可再生能源系统与建筑整合集成，实现代替常规能源，实现建筑零能耗。
1)在传统的被动式节能技术理论中融入主动式节能技术的理念。多能源系统的集成、优化与创新与建筑本体设计同步进行。坚持被动式节能技术为主、主动式节能技术为辅、充分利用可再生能源实现超低能耗建筑的基本路线。
2)从适用技术理论的角度出发，建立超低能耗建筑能源适用技术遴选体系，对选择的多种能源适用技术从能源品位、实际用途和经济效应的角度进行多种能源利用技术的整合、集成与优化。
3)加大力度开发可再生能源系统在超低能耗建筑示范项目中的应用，增强在行业的示范与辐射作用，同时为优化超低能耗建筑的能源系统、供能模式提供实践平台。
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